1、摘 要- I -本科毕业论文（20 届）磁控调压式无功自动补偿装置设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要- II -摘 要近年来，随着工业的不断发展，各式各样的电器应运而生。电能的优势愈加明显，作用也越来越重要，是现阶段不可替代的二次能源。然而，无论是在发电、输电、配电、用电等各个过程中，电能都是以交流的形式输送的，无功功率的平衡就成为了一个必须解决的问题。本文所述的饱和电抗器就是其中一种无功补偿装置，其结构相对简单、损耗和谐波的影响都很小，在无功补偿方面发挥着重要作用。论文主要内容首先以绪论的形式对饱和电抗器课题的相关背景做了介绍。通过回顾饱
2、和电抗器的发展状况更加体现出饱和电抗器作为无功功率补偿装置的优势和进行饱和电抗器研究的意义。通过对不同种类的饱和电抗器的性能优势的比较，使其设计更加优化、成本更低，从而更好地满足实际应用中的需要。然后对饱和电抗器的基本原理做出详细的说明，通过各种有缺点的比较确定了饱和电抗器的实际结构。确定结构后，进而对饱和电抗器建立数学模型，画出等效电路图。最后根据数学模型和基本原理的分析进行相关的参数计算。使用 MATLAB 仿真软件对整个无功功率补偿系统进行了仿真，通过对输出波形和相关参数的分析，对前面的数学模型的建立以及电路分析做出总结。设计出了相关的控制电路，选用 DSP 处理器作为控制电路的核心，并
3、设计出组成控制系统所需要的各个单元电路。关键词：饱和电抗器，无功补偿，磁控调压式，MATLAB 仿真Abstract- III -AbstractIn recent years, with the continuous development of the industry, a wide range of electrical appliances came into being. Electricity becomes more and more advantage, its role has become increasingly important as the secondary e
4、nergy of this stage and can not be replaced. However, whether it is in the process of generation, transmission and distribution, electricity is existed in the form of alternative mode and the reactive power balance has become a problem that must be addressed. The saturation reactor is described in t
5、his article as a reactive power compensation device, its structure is relatively simple, the impact of losses and harmonics are relatively small, then the saturation reactor play an important role in terms of reactive power compensation.The background of the saturation reactor is introduced in the f
6、irst chapter. By reviewing the development of the saturable reactor, the saturable reactor as a reactive power compensation device makes more advantages and significance. So the comparison of the performance advantages of the different types of saturable reactor making the design more optimized, low
7、er cost, in order to better meet the needs of practical applications.And then make a detailed description of the basic principles of the saturable reactor, and determined the actual structure of the saturable reactor. A mathematical model was established to determine the structure, and thus draw a e
8、quivalent circuit of the saturable reactor. Finally, relevant parameters calculation is made according to the analysis of the mathematical model and the basic principles.Using MATLAB software for reactive power compensation system simulation, analysis of the output waveform and parameters, make a su
9、mmary on the mathematical model and circuit analysis. The control circuits are designed, the DSP processor is selected as the core of the control circuit design and each unit of the control system is composited.Keywords: saturable reactor, reactive power compensation, magnetron regulator type, MATLA
10、B simulation目 录- IV -目 录摘 要 .IABSTRACT.II目 录 .III第一章 绪 论 .11.1 课题的背景和意义 .11.2 国内外发展现状 .31.3 课题的主要内容 .4第二章 磁控饱和电抗器的原理与等效模型 .52.1 磁控饱和电抗器的结构 .52.2 磁控饱和电抗器的工作原理 .62.3 构建磁控饱和电抗器的分析模型 .112.3.1 等效物理模型 .112.3.2 等效物理模型的数学形式 .142.3.3 简化后的数学模型 .162.3.4 磁控饱和电抗器的等效电路 .162.4 磁控饱和电抗器的参数计算 .16第三章 磁控饱和电抗器的仿真分析 .163
11、.1 仿真工具介绍 .163.2 构建仿真模型 .163.3 模型参数设置 .163.4 仿真结果及分析 .163.4.1 动态性能 .163.4.2 控制特性 .163.4.3 伏安特性 .16第四章 磁控调压式无功自动补偿装置 .164.1 控制系统的总体方案 .164.2 控制系统各模块硬件及软件设计 .164.2.1 基本模块电路 .16目 录- V -4.2.2 信号采集电路 .164.2.3 晶闸管触发电路 .164.2.4 算法简介 .16结 论 .16参考文献 .16致 谢 .16第一章 绪 论- 1 -第一章 绪 论1.1 课题的背景和意义近些年来，我国工业一直保持着较好的发
12、展势头，各行各业蒸蒸日上。特别是一些与电力和信息技术相关的产业，更是迅猛发展。伴随着工业的发展，对电能的需求量也越来越大，对电力供应的效率、质量和可靠性也有相应的提高。为了保证良好的供电质量和效率，就需要一个高质量的电力传输系统，以较小的损耗传输最多的电能，同时尽量避免故障的发生，保证电能可靠供给。从而意味着要开发出一系列的设备来组建一个安全、稳定、高效的电力传输系统，磁控调压式无功自动补偿装置就是这些装置中的一种。众所周知，在供电电网中电能是以交流的形式传输的，当电网或负载中存在感性或容性器件时，在电路中就会产生一定的无功功率。无功功率较小时，对电网输电系统的影响并不大，但是电网中不仅负载中
13、存在感性或容性原件，而且大多数的网络组件也会产生无功功率。当无功功率达到一定值时，对电网输电的负面影响就开始显现出来了。不仅如此，无功功率还随着负载容量和负载性质的变化而变化，使得电网中的无功量不容易控制在一定的量上，会相应的产生波动。而这种波动会产生谐波，同时电压不稳会降低产品质量、损坏设备。在远距离输电线路中，电网上一点的无功功率补偿并不能满足要求，需要在产生无功功率的位置及时地进行动态补偿。在电力系统中，存在着各种各样的无功电源和无功负载，它们是电网中无功功率的主要来源。无功电源有同步发电机、同步调相机和同步电动机。在供电系统中，同步发电机是电能的唯一来源。但是，同步发电机在产生有功功率
14、的同时也相应的产生了无功功率，这是无功功率在输电始端的最基本来源。同步发电机装机容量大，可以提供电网中的大部分无功功率。同步调相机则是专门用来提供无功补偿的特制组件，它在运行中不带负载。而同步电动机不但提供无功功率，而且在运行中将电能转化为机械能，完成指定的工作。无功负荷有异步电动机、变压器、整流装置以及电力线路。异步电动机是电网的主要负载，是无功功率的在负载端的主要来源。变压器由于其具有电感的基本特性，在运行中也会产生一定的无功功率，特别是多级变压的情况。电力线路上由于第一章 绪 论- 2 -线路的电阻特性和分布电容，也会产生一定的无功功率和电能损耗。近年来，随着电力电子整流装置的推广，在降
15、低能耗的同时，也向电网输送了大量的无功功率，影响电网的正常运行。如果在电网中某点需要的无功功率得不到及时而有效的补偿，就会在电力系统和用电设备中产生种种问题。其中最令人头疼的当属电能损耗、谐波和电压不稳定的问题等等。因此，无功功率补偿在电力系统中稳定负载端和电网电压，提高供电质量、可靠性，降低线路损耗，提高电能利用效率等方面有着重要意义。而磁控调压式无功自动补偿装置就是为了解决无功功率补偿的问题而设计的电力装置。通过这套装置的使用，可以使电网中的无功功率得到补偿、电压波动得到控制，从而使电能的质量提高，同时通过减小无功电流降低了输电线路中电能的损耗。早在多年以前，无功补偿就伴随着交流输电的应用
16、而成为了备受关注的问题之一，工程师尝试各种方法去实现无功功率的及时和有效的补偿，经过几十年的发展，形成了各种各样、种类繁多的无功补偿装置。由无功功率补偿装置的特性可以进行简单的分类。根据是否可以跟踪电网中无功功率变化可以分为静态和动态两种。根据装置中是否拥有运动部分可以分为运动和静止两种。根据装置中有无自带电源可以分为无源和有源两种。电力电容器、电力电抗器和静止无功功率补偿器是主要的静止型无功功率补偿装置，它们都是无源的，还有一些有源的静止型无功功率补偿装置。本文使用的可控磁饱和电抗器就是静止无功功率补偿器中的一种。经过长期的探索，人们总结出了许多行之有效的无功补偿方法：（1）用同步调相机进行
17、无功功率补偿。同步调相机是运动型无功功率补偿装置的主要类型，它是有源的。由于其中带有旋转机械，电能功率损耗、运行维护、响应速度较新型的静止无功功率补偿装置较差，已逐渐淘汰。（2）用并联电力电容器组进行无功功率补偿。这是一种早期的无功补偿方法，其使用的电力电容器值是固定的，不能调节，所以只能靠改变投入的个数来改变无功补偿量的大小。所以这种方法调节速度慢、不能平滑调节，一般补偿到功率因数为 0.9 左右，以免发生过补偿。（3）用 TCR（Thyristor Controlled Reactor）和电力电容器组合进行无功功第一章 绪 论- 3 -率补偿。这种方法使用的电抗器是用双向晶闸管控制主电路电
18、流的通断来实现的。所以不能实现平滑调节且谐波含量较大，容易产生谐振，易导致电力系统不稳定。（4）用电力电子技术进行无功功率补偿。用可关断电力电子器件和脉冲调制技术控制被补偿电路的电压和电流的幅度和相位。不仅可满足无功补偿的要求，而且可实现谐波补偿，性能十分理想，但这种装置复杂、成本较高。（5）本文提出的磁饱和电抗器是基于偏磁可调的原理，即通过改变晶闸管的触发角来改变直流激磁电流的大小，进而改变铁芯的饱和程度，达到调节电感大小的目的。可控磁饱和电抗器控制方便、成本低、可以平滑调节无功功率而且具有防止过电压的能力，提高了输电系统的输电能力和稳定性。本文中的磁控调压式无功自动补偿装置以可控磁饱和电抗
19、器为主要元件，与电容器、相关的晶闸管脉冲触发控制电路以及以 DSP 为核心的控制电路共同构成。通过可控电抗器和电容组并联运行相互协调调节无功，比当前常用的同步调相机和单纯的电容器组补偿无功的方法更灵活方便，同时补偿效果也较理想。可控磁饱和电抗器的种类比较多，最简单的磁饱和电抗器是调匝式的，它通过调节匝数来调节电抗值，这种方法只能实现有级调节。还有一种通过改变磁路的磁阻来改变电抗值的方法，它通过调节磁路中的可调气隙的大小改变电抗值，这种方法精度低。还有用一个双向晶闸管串在主电路中控制电路中电流的导通时间的方法来改变电感，虽然保证了平滑调节，但是晶闸管的要求较高。最后一种饱和电抗器是外加直流偏磁的
20、饱和电抗器，控制直流绕组工作电流的大小即可改变电抗值，这种方法的缺点是谐波较大。本文就是用的就是最后一种，它有工艺简单、成本低、维护方便等特点。1.2 国内外发展现状1916 年，美国的 E.F.W.亚历山德逊提出了“磁放大器 ”的概念。20 世纪 40 年代，随着高磁感应强度及低损耗的晶粒取向硅钢带和高磁导、高矩阵系数的坡莫合材料的出现，饱和电抗器的理论与应用迈上新台阶。1955 年美国的 H.F.斯托姆写了磁放大器一书，标志着磁放大器发展的高峰，当时已成为自动化系统不可缺少的基础元件。科技工作者尝试将磁放大第一章 绪 论- 4 -器的工作原理应用到电力系统的自动无功控制。1955 年，世界
21、上第一台可控电抗器在英国制造成功，其额定容量为100MVA，工作电压为 6.6kV22kV。70 年代以来，由于可控硅器件迅速发展及相控电抗器的出现，可控电抗器研究工作未受到人们重视，发展停滞不前。随着国家电力工业发展速度增快和城乡电气化水平越来越高，超高压、特高压电网相继投入运行，用户对电网供电质量及可靠性的要求越来越高。高压电网的形成及负荷变化加剧，要求大量可调的无功功率源以调整电压，维持系统无功潮流平衡，减少损耗，提高供电可靠性。70 年代发展起来的相控电抗器（TCR）高昂的造价决定了其在电力系统广泛应用的不合理性。鉴于上述原因，电力科研工作者转而寻求更经济和更可靠的可调无功补偿装置。保
22、证电力传输安全、可靠、经济的运行是电力传输系统的基本要求。无功补偿是减小线路损耗的重要途径，电压补偿是提高供电质量的重要方法，消弧线圈是保障中性点不接地系统在单项接地故障时能长期运行的重要手段。这些领域的技术发展是当前电力传输技术的重要研究方向。1.3 课题 的主要内容本 文 设 计 了 一 套 基 于 磁 控 调 压 式 无 功 补 偿 器 件 的 自 动 无 功 功 率 补 偿 装 置 ，用 到 的 主 要 器 件 是 磁 控 电 抗 器 。 在 设 计 中 将 用 到 电 力 电 子 技 术 、 自 动 控 制 原理 等 相 关 课 程 的 内 容 。 整 个 系 统 有 两 部 分 ，
23、 即 饱 和 电 抗 器 （ 无 功 补 偿 装 置 ）和 控 制 器 组 成 。首 先 介 绍 了 磁 控 饱 和 电 抗 器 的 基 本 结 构 ， 进 而 分 析 了 它 的 工 作 原 理 。 通过 对 其 结 构 和 工 作 原 理 的 分 析 便 可 以 建 立 它 的 等 效 物 理 模 型 。 等 效 物 理 模 型的 建 立 使 得 磁 控 饱 和 电 抗 器 的 仿 真 分 析 成 为 可 能 ， 但 是 如 果 仅 仅 得 到 等 效 物理 模 型 就 开 始 分 析 ， 效 果 并 不 理 想 ， 反 而 更 加 复 杂 。 所 以 在 第 二 章 中 又 进 一步 分
24、 析 了 磁 控 饱 和 电 抗 器 的 数 学 形 式 并 加 以 简 化 ， 得 到 其 数 学 模 型 ， 这 对 仿真 分 析 提 供 了 方 便 。 在 第 二 章 的 最 后 ， 对 磁 控 饱 和 电 抗 器 的 参 数 计 算 公 式 进行 了 简 单 的 介 绍 。在 本 文 的 第 三 章 对 磁 控 电 抗 器 的 仿 真 模 型 的 建 立 和 如 何 进 行 仿 真 分 析 进第一章 绪 论- 5 -行 了 说 明 。 对 仿 真 得 到 的 结 果 进 行 了 相 关 的 研 究 ， 这 既 验 证 了 在 第 二 章 中 对磁 控 电 抗 器 的 分 析 的 正 确 性 ， 又 为 磁 控 电 抗 器 的 仿 真 提 供 了 一 种 切 实 可 行 的方 案 。在 文 章 的 最 后 部 分 ， 对 本 套 装 置 的 控 制 系 统 做 了 介 绍 ， 就 其 中 的 核 心 模块 ， 如 晶 闸 管 驱 动 电 路 、 信 号 采 集 电 路 和 DSP 芯 片 电 路 分 别 进 行 了 说 明 。
